Nowoczesna diagnostyka zakażeń: szybciej, taniej i bliżej pacjenta

Zakażenia bakteryjne oraz narastająca oporność na antybiotyki to jedno z najpoważniejszych wyzwań współczesnej medycyny. Postanowili się z nim zmierzyć naukowcy z Politechniki Warszawskiej. 

W praktyce klinicznej kluczowe znaczenie ma czas: im szybciej wiadomo, jaki patogen odpowiada za zakażenie i czy posiada geny oporności, tym większa szansa na wdrożenie celowanej terapii. Obecnie standardowe metody diagnostyki molekularnej są bardzo skuteczne, ale często wymagają kosztownej aparatury, złożonej optyki i pracy w wyspecjalizowanych laboratoriach. To ogranicza dostęp do szybkiej diagnostyki „tu i teraz”.

– W ramach realizowanego projektu rozwijamy miniaturowy, wielopolowy moduł detekcyjny do wykrywania kwasów nukleinowych (DNA) metodami elektrochemicznymi, projektowany jako element przyszłych, przenośnych systemów typu point-of-care (PoC) – mówi prof. Robert Ziółkowski z Wydziału Chemicznego PW, kierownik projektu. – Zamiast klasycznych odczytów fluorescencyjnych wykorzystujemy pomiar bardzo małych zmian sygnału elektrochemicznego na powierzchni elektrod. Takie podejście może istotnie uprościć konstrukcję urządzenia, ułatwić miniaturyzację i obniżyć koszt pojedynczego testu. 

Tanie podłoża: elektronika drukowana na foliach

Jednym z filarów projektu jest opracowanie i wykorzystanie wielopolowych przetworników elektrochemicznych wytwarzanych w technologiach elektroniki drukowanej na elastycznych podłożach (foliach polimerowych), z elementami metalicznymi wykonywanymi m.in. metodami próżniowymi (np. sitodruk, PVD). Taka ścieżka technologiczna jest skalowalna i kompatybilna z wytwarzaniem wielkoseryjnym, a jednocześnie pozwala uzyskać powtarzalne, miniaturowe pola pomiarowe. To ważne, bo w diagnostyce liczy się nie tylko czułość, ale także stabilność i odtwarzalność sygnału „sztuka po sztuce”.

Wielopolowość i multiplex: kilka markerów w jednym pomiarze

Projektowana wielopolowa architektura czujnika oznacza, że jeden przetwornik zawiera kilka niezależnych pól pomiarowych, z których każde może wykrywać inny marker genetyczny. Pozwala to na jednoczesną analizę wielu analitów (multiplex) – np. równoległe wykrycie markerów identyfikujących patogen oraz genów oporności na antybiotyki. Taki format odpowiada realnym potrzebom diagnostyki zakażeń, gdzie wynik „jeden marker – jedna decyzja” bywa niewystarczający, a szybka informacja wieloparametrowa ma szczególną wartość.

Obraz

Autorskie enzymy: amplifikacja DNA w trudnych próbkach

Drugim kluczowym obszarem projektu jest rozwój i wykorzystanie autorskich enzymów (m.in. polimeraz fuzyjnych), których celem jest ułatwienie amplifikacji wykrywanych sekwencji DNA w warunkach trudnych – tam, gdzie klasyczne reakcje są hamowane przez inhibitory obecne w próbkach klinicznych. Dzięki takim enzymom możliwe jest zbliżenie się do docelowego scenariusza, w którym analiza ma przebiegać szybciej i prościej, z ograniczeniem etapów przygotowania próbki.

Detekcja bez „wielkiej optyki” i bliżej próbek rzeczywistych

Istotną przewagą elektrochemii jest to, że sygnał detekcyjny nie wymaga skomplikowanych modułów optycznych. Co więcej, elektrochemiczny odczyt może być projektowany tak, aby działać w złożonych matrycach, w tym w próbkach nieoczyszczanych lub poreakcyjnych, gdzie klasyczne podejścia fluorescencyjne bywają ograniczane przez tło i autofluorescencję. W projekcie naukowcy koncentrują się na dopracowaniu warstw receptorowych biosensora (tzw. samoorganizujących się monowarstw – SAM) oraz warunków oznaczeń tak, aby zapewnić selektywność, powtarzalność i stabilność sygnału podczas pomiarów nieoczyszczanych próbek rzeczywistych.

Zaplecze badawcze: inwestycja w jakość i wiarygodność wyników

Istotnym rezultatem projektu jest także wzmocnienie infrastruktury badawczej. Dzięki finansowaniu udało się zakupić urządzenie Prometheus Panta (NanoTemper) – nowoczesną platformę do charakterystyki białek (m.in. stabilność konformacyjna i skłonność do agregacji). Umożliwia to lepszy dobór warunków buforowych i dodatków dla komponentów biologicznych wykorzystywanych w analizach oraz bardziej świadome projektowanie procedur, co bezpośrednio przekłada się na powtarzalność i wiarygodność opracowywanego rozwiązania a finalnie m.in. na czas prowadzenia pełnej analizy.

Dokąd zmierzamy?

Celem prac jest doprowadzenie technologii do etapu demonstratora: wielopolowego, miniaturowego modułu detekcyjnego, który pokaże jednoczesną analizę wielu markerów i będzie gotowy do dalszej integracji w przenośnych systemach PoC. Rozwijana technologia odpowiada na realne potrzeby ochrony zdrowia: szybsza identyfikacja patogenów i genów oporności to lepsze decyzje terapeutyczne, ograniczenie niecelowanego stosowania antybiotyków i skuteczniejsze przeciwdziałanie antybiotykooporności.

Badania realizowane są w ramach projektu pt. „Rozwój nowoczesnej diagnostyki zakażeń na bazie elektrochemicznych macierzy czujnikowych jako elementów detekcyjnych przenośnych, niskokosztowych urządzeń POC dedykowanych szybkim i wiarygodnym analizom genetycznym”, finansowanego przez Agencję Badań Medycznych. 

Projektem kieruje dr hab. inż. Robert Ziółkowski, prof. uczelni. 

W skład zespołu badawczego wchodzą: 

• dr inż. Marcin Drozd, dr hab. inż. Marcin Olszewski, profesor uczelni, dr Katarzyna Szymańska, dr inż. Aleksandra Tobolska, dr inż. Nina Wezynfeld – z Wydziału Chemicznego PW,
• dr inż. Jakub Krzemiński z Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii PW,
• prof. dr hab. n. med. Aleksandra Zasada,
• dr n. med. Maciej Polak,
• mgr Melania Klara Cynke, mgr inż. Klaudia Marlicka, mgr inż. Katarzyna Serafin, mgr inż. Aleksandra Julia Skiba – ze Szkoły Doktorskiej PW,
• Maria Boulaguigue, Dominika Dobrowolska, Wiktoria Miklińska, Radosław Pytlarz, Julia Szeptycka – studenci z Wydziału Chemicznego PW.